电缆故障源有效冲击放电信号测量电路设计

地埋电力电缆以其安全、可靠、城市美观等优点，在工矿企业、港口、铁路、机场、国防工程及城市供配电等部门的应用已十分广泛。由于长期深埋地下或者地下排水管道中，地理环境复杂，大量的城市改造等原因，造成电力电缆出现故障，出现区域性供电中断，造成大量经济损失。有效、快速而准确地测试、诊断和定位电力电缆故障，能确保电力电缆供配电系统，尤其是地埋电力电缆供配电系统可靠安全运行。
目前，工程中电缆故障诊断包括：故障性质和类型诊断、初步探测或粗测(pre-location)以及精确定位或精测(pinpoint)。如何在电缆敷设环境复杂、电磁干扰和噪声干扰严重条件下，当电缆故障源发生有效冲击放电时，对产生的信号进行分析、处理，成为快速精确定位的关键。本文设计了故障源放电信号测量电路，实现对信号的精确测量。
1 故障源有效冲击放电
电缆故障精确定位的首要问题是故障点的有效冲击放电，释放出故障定位所需的所有声波和电磁波信息。实际地埋电缆故障源发生有效冲击放电释放出多种信息。包含声波信号、电磁波信号，故障周围电磁场变化，特殊环境下还会有臭氧的产生，电缆受潮绝缘损坏时还会有特殊化学信号产生。电缆发生相间断路或短路故障时，将冲击能控信号发生器加在故障电缆上，注入高能脉冲信号，使得电缆故障的两相之间的空气击穿，释放电能。有效击穿的瞬间，高能信号源的脉冲能量达到400 J左右，会在故障点的不同方位释放出的“啪、啪”放电声和电磁波信号，形成电缆故障点的多模式信号。
2 声传感器的选择与工作原理
有效冲击放电时，故障点周围的空气被击穿，故障源周围介质发生振动，声音会以声波的形式通过介质向周围辐射传播。压电陶瓷材料具有压电效应的特性。由压电陶瓷材料制作成的压电陶瓷片能灵敏接收介质中传来的放电声信号，使得压电陶瓷片两极机械振动，把放电声信号转变成电信号。
　将压电陶瓷片固定在一个半球形的金属隔音器中，压电陶瓷片位于球心处，声波进入隔音器中，通过声波反射汇聚在位于球心的焦点，会增强声音的强度，增加压电陶瓷片两极的形变，获得更强的电信号，利于后级测量电路对信号进行调理。通过大量的实验验证，压电陶瓷片选择中心频率为2.5 kHz时，接收到的信号最佳。传感器声波反射工作原理如图1所示。

3.1 前置放大电路
用场效应管做测量电路放大器的输入级是设计高输入阻抗放大器的最简单方案，但是必须用高阻值的电阻做偏置电路，但是高阻值的电阻无论是稳定性或者噪声方面，都会给放大器带来不利和影响[2]。由线性集成电路构成的自举反馈高输入阻抗放大器是一个很好的选择。具体电路如图3所示。

微弱信号放大和检测电路要求精密、温漂小，噪声干扰低，则应选择高精度、低温漂、低噪声的集成电路[4]。电路中采用ADI公司的OP-27型号运算放大器，该运算放大器的特点就是低温漂、低噪声、高精度，满足微弱信号测量电路的要求。电路利用自举反馈，使得输入回路的信号主要由运算反馈电路流过电阻R4来提供，因此输入电路向信号源吸取电流就大大降低。利用Pspice仿真软件对前置放大器电路进行仿真，其输入阻抗非常大，阻值超过了100 ＭΩ，输出阻抗很小，只有6.9 Ω，实现增益达到34 dB。Pspice仿真结果图4所示。

运用Pspice仿真对设计的滤波器进行仿真，得出带通滤波器的幅频特性曲线如图6所示。

3.3 自动增益控制电路
自动增益控制电路能实现测量电路的输出信号的稳定，当输入信号变小时，自动增益电路控制电路的增益变大，提高输出信号；当输入信号变大时，自动增益电路控制电路的增益变小，降低输出信号。电路采用ADI公司的可变增益放大器AD8337来实现信号的自动增益，能实现的增益范围为0 dB~24 dB。AD8337优点是低噪声，单信号输入输出，增益控制电压与实现的增益具有线性关系，通过直流耦合控制可变增益放大，带宽达到100 MHz,对于实现电缆故障源放电信号的自动增益具有快速、精确、输出噪声低。AD8337由一个6 dB增益的前置放大器、一个-24 dB的梯形衰减网络和一个18 dB增益的后置放大器组成。增益控制端输入的直流电压通过增益控制器控制梯形网络来实现增益的线性控制，其增益控制电压范围为-0.7 V~0.7 V。增益控制电压与增益关系图如图7所示。

电路中AD8337的信号输出端接在INPUT端口，OUTPUT接在增益控制端口,通过Pspice仿真观察当信号在1 V和2 V时自动增益控制电压的变化，其仿真结果如图10所示。

从仿真结果图可以看出，该电路可以很好地实现增益电压输出，在-0.7 V~0.7 V的控制电压之间，AD8337的增益成线性变换。当输入信号过小时，增益控制电压往0.7 V方向增大，AD8337的增益变大，使得输出信号增大；当输入信号过大时，增益控制电压往-0.7 V方向减小，AD8337的增益减小，使输出信号减小。
4 电路参数的调整与分析
在测量电路的前置放大电路中，R4和R5要选用精度高的电阻，当它们的电阻值相差不大时，前置放大电路可以获得极高的输入阻抗。为了降低电路的噪声，前置放大电路选用的电阻需要噪声系数小和温度系数小的精密电阻。自动增益控制电路中的电容C6如果取值太大则会使响应时间太长，如果电容值太小，则会使最后的增益控制电压的纹波很大，带入噪声。所以在增益控制电压的输入端还要加上10 μF和0.01 滋F的旁路电容，去掉控制电压的纹波。C6应选择低漏电流和低介质吸收的电容，这些包括聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等型号[5]。
本文通过设计具有高输入阻抗，低噪声的电缆故障源放电信号测量电路，实现信号的自动增益控制，利于后级对放电信号的处理。测量电路运用在电缆故障定位系统中，能有效地抗干扰，高增益、稳定、精确测量故障源有效冲击放电发出的信号。
参考文献
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